專利名稱：一種低溫多晶硅薄膜制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫多晶硅薄膜制造方法，尤其涉及一種減少多晶硅薄膜缺陷態(tài)密度的固相晶化方法。
背景技術(shù)：
AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode,主動(dòng)矩陣式有機(jī)發(fā)光二極管)是主動(dòng)發(fā)光器件。相比現(xiàn)在的主流平板顯示技術(shù)TFT-IXD (Thin FilmTransistor-LiquidCrystal Display,薄膜晶體管液晶顯不器)，OLED (Organic LightEmitting Diode,有機(jī)發(fā)光二級(jí)管)具有高對(duì)比度，廣視角，低功耗，體積更薄等優(yōu)點(diǎn)，有望成為繼LCD之后的下一代平板顯示技術(shù)，是目前平板顯示技術(shù)中受到關(guān)注最多的技術(shù)之
o·
OLED采用電流驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)像素的驅(qū)動(dòng)電路必須保證足夠大的輸出電流，因此驅(qū)動(dòng)電路中的TFT采用的半導(dǎo)體材料必須使用遷移率較高的材料，目前應(yīng)用最廣泛的是多晶娃。另ー方面基板采用的基板是玻璃材質(zhì)，耐高溫程度大約為攝氏600-700度，在此溫度之下，玻璃基板不會(huì)變形，因此多晶硅薄膜的制造方法必須在攝氏700度以下完成，又稱為LTPS (Low Temperature Poly-silicon,低溫多晶娃)エ藝。與此同時(shí)整個(gè)顯示面板上每ー個(gè)像素的驅(qū)動(dòng)TFT轉(zhuǎn)移特性需要保持很高的均一性，顯示的圖像才能保證高度一致的均勻性，從而保證顯示質(zhì)量。主流的LTPS技術(shù)有準(zhǔn)分子激光晶化，固相晶化，金屬誘導(dǎo)晶化等。準(zhǔn)分子激光退火使用激光瞬間熔化非晶硅薄膜使其由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)，缺點(diǎn)是薄膜的晶粒大小會(huì)隨著激光能量的差異而出現(xiàn)較大的波動(dòng)，制成的OLED顯示器有嚴(yán)重的不均勻性；SPC (Solid Phase Crystallization,固相晶化)是在攝氏550-700度下非晶娃在固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч瑁秉c(diǎn)是膜內(nèi)缺陷態(tài)密度很高導(dǎo)致硅遷移率不高；金屬誘導(dǎo)晶化采用金屬與硅形成合金誘導(dǎo)形成多晶硅，缺點(diǎn)是多晶硅被金屬雜質(zhì)污染導(dǎo)致薄膜晶體管較大的漏電流。中國專利文獻(xiàn)CN101908471A公開了ー種制備大面積多晶薄膜的方法，包括如下步驟(I)在玻璃基板上淀積ー層非晶硅薄膜；(2)采用光刻エ藝，在非晶硅薄膜上曝光出條狀窗ロ ；(3)采用磁控濺射法在窗口內(nèi)非晶硅薄膜上濺射ー層金屬；(4)采用激光器對(duì)著窗ロ進(jìn)行輻照制備多晶薄膜；(5)用酸除去殘留的金屬鎳。上述專利文獻(xiàn)是結(jié)合常規(guī)的金屬誘導(dǎo)固相晶化法和激光晶化技術(shù)的基礎(chǔ)上，所發(fā)明出來的一種新的多晶硅薄膜制備方法，其所制備的多晶硅薄膜既有金屬誘導(dǎo)固相晶化法的擇優(yōu)取向，又有激光晶化法所制備的高遷移率，缺陷少的效果，但是上述專利文獻(xiàn)用激光晶化技術(shù)是將非晶硅薄膜加熱到熔融，之后由液態(tài)結(jié)晶，在該技術(shù)方案中，能量由激光來提供，而發(fā)射激光的激光器本身具有能量的波動(dòng)，不能保證每次發(fā)出的激光的能量都相同，當(dāng)能量輸出到基板上，由于能量的高低不同會(huì)導(dǎo)致激光晶化過程的不均勻，從而導(dǎo)致生成的多晶硅薄膜存在不均一性。目前的固相晶化法包括以下三步第一歩局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核；第二歩所述晶核生長形成晶粒；第三歩相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變，所述多晶硅內(nèi)部缺陷態(tài)逐步修復(fù)。目前的固相晶化法還沒有解決固相晶化的遷移率與均一性之間的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有多晶硅薄膜不均一性的技術(shù)問題，提供ー種均一性較高的多晶硅薄膜。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其固相晶化的過程如下 第一歩局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核；
第二步所述晶核生長形成晶粒；
第三歩相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變，所述多晶硅內(nèi)部缺陷態(tài)逐步修復(fù)，形成多晶硅薄膜；
在上述一個(gè)或多個(gè)步驟中，在固相晶化環(huán)境溫度保持550-700攝氏度時(shí)，増加ー個(gè)或多個(gè)光子能量在2. 5-5. OeV之間的光源。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，還包括退火的步驟。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，通入N2，02，H20氣體輔助退火。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，在第一歩局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核過程中増加ー個(gè)光子能量范圍在2. 0-4. OeV的光源，照射持續(xù)時(shí)間約為5-15分鐘。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，在第二步所述晶核生長形成晶粒過程中增加兩個(gè)光源，光子能量范圍在4. 0-4. 5eV,照射時(shí)間約為20-120分鐘，依環(huán)境溫度而改變。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，在第三步相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變過程中増加三個(gè)光子能量范圍在2. 0-4. 5eV之間的光源，一般照射時(shí)間設(shè)定為60分鐘以上。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，所述光源為紫外光或可見光波段的光源。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，所述可見光波段的光源來自氘燈或溴鎢燈。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，所述紫外光的全部照射時(shí)間為150分鐘。本發(fā)明所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，光源的數(shù)量根據(jù)設(shè)備規(guī)模要求的功率和照射面積來設(shè)置。本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)
(I)本發(fā)明提供ー種均一性較高的多晶硅薄膜，在SPC技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加輔助光場(chǎng)，以期形成遷移率較高的多晶硅薄膜。本發(fā)明在相對(duì)低的溫度下，提高多晶硅薄膜的結(jié)晶率，減少缺陷態(tài)密度，用以制造低溫多晶硅薄膜。本發(fā)明的多晶硅薄膜有較高的結(jié)晶率，以此生產(chǎn)的薄膜晶體管背板具有足夠驅(qū)動(dòng)AMOLED的遷移率和較高的均一性，生產(chǎn)高質(zhì)量AMOLED面板的半導(dǎo)體薄膜材料得到保證。本發(fā)明中固相晶化所需的能量主要由環(huán)境溫度即500-700攝氏度來提供，而光源起到輔助的作用，在500-700攝氏度的基礎(chǔ)環(huán)境溫度下，在微觀世界中，通過輔助光源來激發(fā)產(chǎn)品的原子，原子通過吸收光子的能量，產(chǎn)生動(dòng)能，從而將不再正常位置的原子，激發(fā)到正常的位置上。從而提高多晶硅薄膜的結(jié)晶率，減少缺陷態(tài)密度，提高了制造出的低溫多晶硅薄膜的品質(zhì)。(2)由于SPC技術(shù)是基于非晶硅的自由能大于晶態(tài)硅的自由能，因此硅由非晶態(tài)向多晶態(tài)轉(zhuǎn)變是熱穩(wěn)定性増加的過程，在高溫(500攝氏度以上)下是個(gè)自發(fā)的過程，本發(fā)明在局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核、晶核生長形成晶粒和相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變中分別加入輔助光場(chǎng)，加快硅由非晶態(tài)向多晶態(tài)轉(zhuǎn)變的速度。(3)晶粒生長過程中，晶粒邊緣的非晶態(tài)原子在熱漲落的驅(qū)動(dòng)下有概率越過晶格勢(shì)壘落到能量更低的晶態(tài)，從而完成結(jié)晶過程。這個(gè)過程隨著溫度的升高而加速，但是整個(gè)過程中硅都處于固態(tài)，因而原子的動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)距離都有限，不可能完全形成規(guī)則的晶格排 列，形成的多晶硅缺陷態(tài)密度非常高，必須使晶格原子得到更高的動(dòng)能使其有足夠的弛豫時(shí)間運(yùn)動(dòng)到理想晶格的位置。本發(fā)明在多晶硅內(nèi)部缺陷態(tài)逐步修復(fù)中加入輔助光場(chǎng)，使晶粒在生長過程中，局部的原子外層電子受到光子激發(fā)，獲得很高的動(dòng)能，這部分能量轉(zhuǎn)移給晶格原子，使其動(dòng)能增加，間接實(shí)現(xiàn)了使晶粒缺陷態(tài)得到修復(fù)。(4)本發(fā)明采用晶態(tài)硅吸收率較強(qiáng)的紫外波段光場(chǎng)照射，從而提高局部溫度，晶粒生長速率也加快，而與此同時(shí)非晶硅沒有得到加熱，因而非晶硅的成核率較低，綜合的結(jié)果將使晶粒尺寸比較傳統(tǒng)SPCエ藝制成的大，晶粒內(nèi)缺陷密度也降低。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)的說明，其中
圖I為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法結(jié)構(gòu)示意 圖2為娃介電常數(shù)虛部。圖中附圖標(biāo)記為11_紫外光源；12_預(yù)加熱腔室；13_主加熱腔室；14_冷卻腔室；I為單晶硅吸收譜；2、3、4、5、6、7、8為結(jié)晶率依次下降的多晶硅吸收譜；9為非晶硅吸收譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I :
下面給出本發(fā)明所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法的ー個(gè)具體的實(shí)施方式，ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，在固相晶化環(huán)境溫度保持550-700攝氏度的基礎(chǔ)上增加一個(gè)或多個(gè)光子能量范圍在2. 5-5. OeV之間的光源。所述低溫多晶硅薄膜制造方法包括以下三步第一歩，局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核；
第二步，所述晶核生長形成晶粒；
第三步，相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變所述多晶硅內(nèi)部缺陷態(tài)逐步修復(fù)，形成多晶硅薄膜。本實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)使晶粒缺陷態(tài)得到修復(fù)，在第一步所述多晶硅內(nèi)部缺陷態(tài)逐步修復(fù)中增加ー個(gè)紫外光源，對(duì)所述多晶硅進(jìn)行照射，照射時(shí)間為10分鐘。作為本實(shí)施例的其他變形，可以在第一歩、第二步、第三步中的一個(gè)或多個(gè)步驟中増加ー個(gè)或多個(gè)光子能量范圍在2. 5-5. OeV之間的光源，同樣能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例2
僅在第一歩中加入光源，光子能量選擇2. OeV，照射時(shí)間8分鐘，光源的個(gè)數(shù)為兩個(gè)紫外光源。作為其他可以變換的實(shí)施方式，第一步中加入的光子的能量還可以選擇3. OeV，加熱時(shí)間10分鐘，光源的個(gè)數(shù)為三個(gè)；或者加入4. OeV的光源，加熱時(shí)間15分鐘，光源的個(gè)數(shù)為I個(gè)。在第一歩中加入光源的作用是輔助晶核形成，提高非晶硅薄膜的溫度。光子能量選擇2. 0-4. OeV，在此波段非晶硅都有良好的吸收。加熱時(shí)間約為5-15分鐘。實(shí)施例3:
僅在第二步中加入光源，光子能量選擇4. OeV，照射時(shí)間120分鐘，光源的個(gè)數(shù)為三個(gè)紫外光源。作為其他可以變換的實(shí)施方式，第二步中加入的光子的能量還可以選擇4. 5eV，加熱時(shí)間20分鐘,光源的個(gè)數(shù)為ニ個(gè)；或者加入4. 2eV的光源,加熱時(shí)間60分鐘,光源的個(gè)數(shù)為ー個(gè)。在第二步中加入光源的作用是提高晶粒生長速度，并抑制非晶硅區(qū)域形成新的晶核，光子能量范圍選擇4. 0-4. 5eV，在此波段僅有晶粒內(nèi)會(huì)有強(qiáng)烈的吸收，非晶硅的吸收并不強(qiáng)烈。故而生長中的晶粒會(huì)受到加熱，提高其生長速率；另ー方面非晶硅不會(huì)受到加熱，從而不會(huì)形成過多的晶核，不會(huì)導(dǎo)致最終的多晶硅晶粒數(shù)量過多，也避免了晶粒尺寸太小。加熱時(shí)間約為20-120分鐘，依環(huán)境溫度而改變。實(shí)施例4
僅在第三步中加入光源，光子能量選擇2. OeV，照射時(shí)間150分鐘，光源的個(gè)數(shù)為三個(gè)紫外光源。作為其他可以變換的實(shí)施方式，第二步中加入的光子的能量還可以選擇4. 5eV,加熱時(shí)間90分鐘，光源的個(gè)數(shù)為ニ個(gè)；或者加入4. OeV的光源，加熱時(shí)間100分鐘，光源的個(gè)數(shù)為ー個(gè)。在第三步中加入光源的作用是在初歩形成的多晶硅基礎(chǔ)上進(jìn)一步修復(fù)缺陷。采用的光子能量為2. 0-4. 5eV，缺陷局部的原子外層電子受到光子激發(fā)，獲得很高的動(dòng)能，這部分能量轉(zhuǎn)移給晶格原子，使其動(dòng)能增加，促使晶粒缺陷態(tài)得到修復(fù)。照射時(shí)間越長，修復(fù)效果越好，一般時(shí)間設(shè)定為60分鐘以上。實(shí)施例5
在本實(shí)施例中，包含實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4中的任意兩個(gè)實(shí)施例，即在任意兩個(gè)固相晶化的步驟中加入光源。實(shí)施例6:
在本實(shí)施例中，在所述固相晶化的三個(gè)步驟中都加入光源。下面給出本發(fā)明所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法的ー個(gè)具體的實(shí)施方式，參見圖I所示，紫外光源11以燈管形式存在，有散射裝置使其均勻照射在主加熱腔室13之上，所述主加熱腔室13的上蓋可由石英水晶等耐高溫透明材料構(gòu)成，玻璃基板由預(yù)加熱腔室12進(jìn)入，經(jīng)過所述主加熱腔室13，再由冷卻腔室14送出，整套裝置為流水線方式運(yùn)行。基板在所述主加熱腔室13內(nèi)停留時(shí)間為150分鐘，所述主加熱腔室13的長度和流水線運(yùn)行速率決定了主加熱時(shí)間，光源的分布遵從實(shí)例一所述的加熱時(shí)間。例如可采用如下參數(shù)第一歩加熱時(shí)間10分鐘；第二歩加熱時(shí)間40分鐘，第三步加熱時(shí)間100分鐘，加熱光源數(shù)量分布按照1:4:10設(shè)置。所述主加熱腔室13內(nèi)可依據(jù)需要通入N2，02，H20等氣體輔助退火。所述預(yù)加熱腔室12與所述主加熱腔室13的連接部分可以用帶密封的裝卸結(jié)構(gòu)。圖2給出了硅介電常數(shù)虛部，其中I為單晶硅吸收譜，2-8為結(jié)晶率依次下降的多晶硅吸收譜，9為非晶硅吸收譜，晶態(tài)硅非晶硅和玻璃基板對(duì)不同波長的光子吸收率有著顯著地不同，晶態(tài)硅對(duì)4. 2-4. 5eV范圍的光子能量吸收較強(qiáng)，非晶硅對(duì)3. OeV左右光子吸收較強(qiáng)，而玻璃襯底對(duì)全波段吸收都較弱，因此可以用此辦法進(jìn)行選擇性局部加熱。晶粒生長過程中，局部的原子外層電子受到光子激發(fā)，可以獲得很高的動(dòng)能，這部分能量轉(zhuǎn)移給晶格原子，使其動(dòng)能增加，間接實(shí)現(xiàn)了可以使晶粒缺陷態(tài)得到修復(fù)。另ー方面，若采用晶態(tài)硅吸收率較強(qiáng)的紫外波段光場(chǎng)照射，從而提高局部溫度，晶粒生長速率也加快，而與此同時(shí)非晶硅沒有得到加熱，因而非晶硅的成核率較低，綜合的結(jié)果將使晶粒尺寸比較傳統(tǒng)SPCエ藝制成的大，晶粒內(nèi)缺陷密度也降低。由于玻璃襯底溫度較低，因此也減少了玻璃在高溫下變形的風(fēng)險(xiǎn)。此種辦法在提聞結(jié)晶率的同時(shí)依然保留了 SPC晶化均一性聞的優(yōu)點(diǎn)。
作為可以變換的實(shí)施方式，光源可以選擇可見光波段的光源，通過氘燈或溴鎢燈產(chǎn)生。此外，光源的數(shù)量根據(jù)設(shè)備規(guī)模要求的功率和照射面積來設(shè)置，從而生成所需的多晶硅薄膜。顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其固相晶化的過程如下 第一歩局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核； 第二步所述晶核生長形成晶粒； 第三歩相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變，所述多晶硅內(nèi)部缺陷態(tài)逐步修復(fù)，形成多晶硅薄膜； 其特征在于在上述一個(gè)或多個(gè)步驟中，在固相晶化環(huán)境溫度保持550-700攝氏度吋，増加ー個(gè)或多個(gè)光子能量在2. 5-5. OeV之間的光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于還包括退火的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于通入N2,O2,H2O氣體輔助退火。
4.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于在第一歩局部多晶硅在熱漲落的作用下形成直徑大于臨界尺度的晶核過程中増加ー個(gè)光子能量范圍在2. 0-4. OeV的光源，照射持續(xù)時(shí)間約為5-15分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4中任一項(xiàng)所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于在第二步所述晶核生長形成晶粒過程中増加兩個(gè)光源，光子能量范圍在4. 0-4. 5eV,照射時(shí)間約為20-120分鐘，依環(huán)境溫度而改變。
6.權(quán)利要求I或5中任一項(xiàng)所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于在第三步相鄰所述晶粒邊界生閉合完成非晶硅向多晶硅轉(zhuǎn)變過程中増加三個(gè)光子能量范圍在2.0-4. 5eV之間的光源,一般照射時(shí)間設(shè)定為60分鐘以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于所述光源為紫外光或可見光波段的光源。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于所述可見光波段的光源來自氘燈或溴鎢燈。
9.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的ー種低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于所述紫外光的全部照射時(shí)間為150分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的低溫多晶硅薄膜制造方法，其特征在于光源的數(shù)量根據(jù)設(shè)備規(guī)模要求的功率和照射面積來設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低溫多晶硅薄膜制造方法，在固相晶化環(huán)境溫度保持550-700攝氏度的基礎(chǔ)上增加一個(gè)或多個(gè)光子能量范圍在2.5-5.0eV之間的光源。本發(fā)明在相對(duì)低的溫度下，提高多晶硅薄膜的結(jié)晶率，減少缺陷態(tài)密度，用以制造低溫多晶硅薄膜。本發(fā)明的多晶硅薄膜有較高的結(jié)晶率，以此生產(chǎn)的薄膜晶體管背板具有足夠驅(qū)動(dòng)AMOLED的遷移率和較高的均一性，生產(chǎn)高質(zhì)量AMOLED面板的半導(dǎo)體薄膜材料得到保證。
文檔編號(hào)C30B1/02GK102732941SQ20121022316
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者張潔, 施露, 林立, 邱勇, 黃秀頎 申請(qǐng)人:昆山工研院新型平板顯示技術(shù)中心有限公司